CPU的功能与组成

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1 CPU的基本功能 #

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    id1[CPU的基本功能]
        id1-1[指令控制]
        id1-2[指令获取]
        id1-3[指令译码]
        id1-4[指令执行顺序控制]
        id1-5[操作控制]
        id1-6[操作信号产生]
        id1-7[时序控制]
        id1-8[微操作控制]
        id1-9[时间控制]
        id1-10[时钟信号]
        id1-11[时序发生器]
        id1-12[同步控制]
        id1-13[数据加工]
        id1-14[算术运算]
        id1-15[逻辑运算]
        id1-16[数据转换]
        id1-17[中断处理]
        id1-18[中断请求]
        id1-19[中断响应]
        id1-20[中断服务]
指令控制
指令获取
指令译码
指令执行顺序控制
操作控制
操作信号产生
时序控制
微操作控制
时间控制
时钟信号
时序发生器
同步控制
数据加工
算术运算
逻辑运算
数据转换
中断处理
中断请求
中断响应
中断服务

2 CPU的基本组成 #

运算器
1 算术逻辑单元 ALU
加法器
移位器
逻辑运算单元
2 累加器
数据暂存
运算结果存储
状态标志设置
3 通用寄存器组
数据寄存器
地址寄存器
状态寄存器
4 专用寄存器
程序计数器 PC
指令寄存器 IR
存储器地址寄存器 MAR
存储器数据寄存器 MDR
控制器
1 指令寄存器 IR
指令存储
指令译码
操作码提取
2 程序计数器 PC
指令地址存储
地址自动递增
跳转地址控制
3 时序发生器
时钟信号产生
时序控制
节拍控制
4 操作控制器
微操作信号产生
控制信号分配
指令执行控制
寄存器组
1 用户可见寄存器
通用寄存器
数据寄存器
地址寄存器
条件码寄存器
2 控制和状态寄存器
程序计数器
指令寄存器
存储器地址寄存器
存储器缓冲寄存器
程序状态字 PSW
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    id2[CPU的基本组成]
        id2-1[运算器]
            id2-1-1[1  算术逻辑单元 ALU]
        id2-2[加法器]
        id2-3[移位器]
        id2-4[逻辑运算单元]
            id2-4-1[2  累加器]
        id2-5[数据暂存]
        id2-6[运算结果存储]
        id2-7[状态标志设置]
            id2-7-1[3  通用寄存器组]
        id2-8[数据寄存器]
        id2-9[地址寄存器]
        id2-10[状态寄存器]
            id2-10-1[4  专用寄存器]
        id2-11[程序计数器 PC]
        id2-12[指令寄存器 IR]
        id2-13[存储器地址寄存器 MAR]
        id2-14[存储器数据寄存器 MDR]
        id2-15[控制器]
            id2-15-1[1  指令寄存器 IR]
        id2-16[指令存储]
        id2-17[指令译码]
        id2-18[操作码提取]
            id2-18-1[2  程序计数器 PC]
        id2-19[指令地址存储]
        id2-20[地址自动递增]
        id2-21[跳转地址控制]
            id2-21-1[3  时序发生器]
        id2-22[时钟信号产生]
        id2-23[时序控制]
        id2-24[节拍控制]
            id2-24-1[4  操作控制器]
        id2-25[微操作信号产生]
        id2-26[控制信号分配]
        id2-27[指令执行控制]
        id2-28[寄存器组]
            id2-28-1[1  用户可见寄存器]
        id2-29[通用寄存器]
        id2-30[数据寄存器]
        id2-31[地址寄存器]
        id2-32[条件码寄存器]
            id2-32-1[2  控制和状态寄存器]
        id2-33[程序计数器]
        id2-34[指令寄存器]
        id2-35[存储器地址寄存器]
        id2-36[存储器缓冲寄存器]
        id2-37[程序状态字 PSW]

3 CPU的工作过程 #

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    id3[CPU的工作过程]
        id3-1[指令周期]
        id3-2[取指周期]
        id3-3[间址周期]
        id3-4[执行周期]
        id3-5[中断周期]
        id3-6[数据通路]
        id3-7[寄存器间数据传输]
        id3-8[寄存器与ALU间传输]
        id3-9[存储器与寄存器间传输]
        id3-10[控制信号]
        id3-11[时序控制信号]
        id3-12[操作控制信号]
        id3-13[状态反馈信号]
指令周期
取指周期
间址周期
执行周期
中断周期
数据通路
寄存器间数据传输
寄存器与ALU间传输
存储器与寄存器间传输
控制信号
时序控制信号
操作控制信号
状态反馈信号

4 CPU的性能指标 #

时钟频率
主频
外频
倍频系数
指令执行速度
MIPS 百万条指令/秒
MFLOPS 百万次浮点运算/秒
CPI 每条指令周期数
吞吐率
单位时间处理指令数
流水线吞吐率
系统吞吐率
响应时间
指令执行时间
任务完成时间
系统响应时间
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    id4[CPU的性能指标]
        id4-1[时钟频率]
        id4-2[主频]
        id4-3[外频]
        id4-4[倍频系数]
        id4-5[指令执行速度]
        id4-6[MIPS 百万条指令/秒]
        id4-7[MFLOPS 百万次浮点运算/秒]
        id4-8[CPI 每条指令周期数]
        id4-9[吞吐率]
        id4-10[单位时间处理指令数]
        id4-11[流水线吞吐率]
        id4-12[系统吞吐率]
        id4-13[响应时间]
        id4-14[指令执行时间]
        id4-15[任务完成时间]
        id4-16[系统响应时间]

5 CPU的体系结构 #

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    id5[CPU的体系结构]
        id5-1[CISC复杂指令集计算机]
        id5-2[变长指令格式]
        id5-3[多种寻址方式]
        id5-4[微程序控制]
        id5-5[RISC精简指令集计算机]
        id5-6[固定长度指令]
        id5-7[流水线技术]
        id5-8[硬连线控制]
        id5-9[现代CPU架构]
        id5-10[超标量结构]
        id5-11[超流水线结构]
        id5-12[VLIW超长指令字]
CISC复杂指令集计算机
变长指令格式
多种寻址方式
微程序控制
RISC精简指令集计算机
固定长度指令
流水线技术
硬连线控制
现代CPU架构
超标量结构
超流水线结构
VLIW超长指令字

6 CPU的先进技术 #

流水线技术
指令流水线
流水线冒险
流水线优化
多核技术
对称多处理
多核架构
核间通信
缓存技术
级缓存 L1 Cache
级缓存 L2 Cache
级缓存 L3 Cache
分支预测
静态分支预测
动态分支预测
分支目标缓冲
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    id6[CPU的先进技术]
        id6-1[流水线技术]
        id6-2[指令流水线]
        id6-3[流水线冒险]
        id6-4[流水线优化]
        id6-5[多核技术]
        id6-6[对称多处理]
        id6-7[多核架构]
        id6-8[核间通信]
        id6-9[缓存技术]
        id6-10[级缓存 L1 Cache]
        id6-11[级缓存 L2 Cache]
        id6-12[级缓存 L3 Cache]
        id6-13[分支预测]
        id6-14[静态分支预测]
        id6-15[动态分支预测]
        id6-16[分支目标缓冲]

7 CPU与其他部件的接口 #

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    id7[CPU与其他部件的接口]
        id7-1[存储器接口]
        id7-2[地址总线]
        id7-3[数据总线]
        id7-4[控制总线]
        id7-5[I/O接口]
        id7-6[端口寻址]
        id7-7[中断控制]
        id7-8[DMA控制]
        id7-9[系统总线]
        id7-10[总线仲裁]
        id7-11[总线时序]
        id7-12[总线协议]
存储器接口
地址总线
数据总线
控制总线
I/O接口
端口寻址
中断控制
DMA控制
系统总线
总线仲裁
总线时序
总线协议

8 CPU的发展趋势 #

性能提升
频率提升
并行处理
能效优化
架构创新
异构计算
神经网络处理器
量子计算
工艺进步
制程工艺
封装技术
D集成
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    id8[CPU的发展趋势]
        id8-1[性能提升]
        id8-2[频率提升]
        id8-3[并行处理]
        id8-4[能效优化]
        id8-5[架构创新]
        id8-6[异构计算]
        id8-7[神经网络处理器]
        id8-8[量子计算]
        id8-9[工艺进步]
        id8-10[制程工艺]
        id8-11[封装技术]
        id8-12[D集成]